酸性礦井水積水環(huán)境水質(zhì)動(dòng)態(tài)和植被分布特征

賈亞敏，李京玲，張永波

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

酸性礦井水污染是全球范圍內(nèi)較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題之一［1－2］，pH 值為2.0 ～4.5，有高濃度硫酸根離子和多種金屬離子的礦井水，在復(fù)雜的地質(zhì)營(yíng)力和水文作用下進(jìn)入受納水體和土體［3］，對(duì)生物及環(huán)境造成污染脅迫［4］。 酸性礦井水長(zhǎng)期出露聚集形成了特殊的積水環(huán)境，不僅嚴(yán)重影響水資源的可持續(xù)利用，而且對(duì)環(huán)境中生物生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖構(gòu)成了強(qiáng)大的選擇壓力，同時(shí)對(duì)環(huán)境中生物種群和群落產(chǎn)生了巨大影響［5－6］。 面對(duì)從未接觸過(guò)的污染物，生物必須在代謝方式和能量分配上做出調(diào)整，以適應(yīng)污染環(huán)境，若無(wú)法適應(yīng)污染環(huán)境，則生物只有衰落或滅絕［7］。 污染條件下植被種群或群落被動(dòng)適應(yīng)新環(huán)境，并通過(guò)避性或耐性等適應(yīng)方式，調(diào)整個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等［8］。 作為生態(tài)系統(tǒng)中組成生物群落基本單位的種群，在污染環(huán)境下調(diào)整種群空間分布和數(shù)量，并在群落組成、結(jié)構(gòu)和功能等方面產(chǎn)生協(xié)同變化［9］。

細(xì)菌和藻類是酸性礦井水中較早發(fā)現(xiàn)的對(duì)pH 值降低和高濃度重金屬應(yīng)激源做出反應(yīng)的生物［10－11］。礦區(qū)植被恢復(fù)中種群選擇、種苗繁殖以及仿自然地貌的生態(tài)修復(fù)研究是多年來(lái)采礦與復(fù)墾研究的重點(diǎn)［12－13］。 本文以多年煤礦開采背景下山西陽(yáng)泉山底河流域酸性礦井水出露所形成的積水生境為研究對(duì)象，揭示水體水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，并從植被個(gè)體和種群尺度揭示植被與污染環(huán)境間的適應(yīng)及響應(yīng)特征，以期為酸性礦井水積水區(qū)的生態(tài)修復(fù)、物種選擇及搭配，以及酸性礦井水污染環(huán)境的恢復(fù)和重建提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

山底河流域位于山西省陽(yáng)泉市，屬溫帶大陸性氣候區(qū)，流域面積58 km2，其中山底河為娘子關(guān)泉域溫河支流，屬季節(jié)性河流。 流域內(nèi)分布有面積較大的山坡及河漫灘，蘊(yùn)藏有豐富的煤炭和鐵礦資源，當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和礦業(yè)開采為主。 在采礦排水、閉坑煤礦老窯水出流、城市污水排放等影響下，加之煤層全硫含量較高，經(jīng)氧化作用形成富含的礦井水，導(dǎo)致山底河及溫河水體、總硬度和TDS 等含量超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，造成巖溶水水質(zhì)急劇惡化［14－15］。流域內(nèi)固莊煤礦、陽(yáng)煤一礦和躍進(jìn)煤礦等已閉坑停產(chǎn)多年，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的水巖作用和生物化學(xué)作用，酸性礦井水蓄滿并溢流出地表［16－17］。

（1）采樣及檢測(cè)。 以山底河流域山底村內(nèi)一處面積約2.45 km2的酸性礦井水積水環(huán)境及水力作用形成的長(zhǎng)約600 m 的河道為研究對(duì)象。 該處曾是平整的農(nóng)田，因礦井水出流而形成地面積水，成片蘆葦群落分布于該酸性礦井水積水環(huán)境中。 經(jīng)野外踏看后，從酸性礦井水出流點(diǎn)沿河道流向間隔200 m 設(shè)置水樣采樣點(diǎn)和蘆葦群落調(diào)查采樣點(diǎn)，分別為上游A 點(diǎn)，中游B 點(diǎn)和下游C 點(diǎn)。 2019 年1 月、4 月、8 月、11 月進(jìn)行水樣采集，水樣檢測(cè)要素包括地表水深度、pH 值、Eh（氧化還原電位）、電導(dǎo)率、、Fe2＋、Fe3＋等，對(duì)河道沉積物進(jìn)行鐵、錳、鋁、鋅等重金屬離子測(cè)定。 2019 年4 月、8月進(jìn)行蘆葦群落調(diào)查，在上游、中游和下游設(shè)10 m×10 m 的樣方并劃分為1 m×1 m 的網(wǎng)格，用于物種分布和蘆葦分布格局響應(yīng)的生態(tài)學(xué)調(diào)查，包括物種名稱、優(yōu)勢(shì)植被蘆葦?shù)南鄬?duì)位置等。

采用聚乙烯塑料壺（提前經(jīng)硝酸溶液潤(rùn)洗）收集水樣后帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏待測(cè)。 沉積物表層樣品（0 ～10 cm）收集后于聚乙烯塑料袋中密封保存。 各樣方中隨機(jī)選取蘆葦植株（包括莖葉和根系）并密封保存于聚乙烯塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，用于生物量及重金屬富集量檢測(cè)。 水樣的pH 值和電導(dǎo)率在現(xiàn)場(chǎng)采用電極法測(cè)定，其他指標(biāo)在國(guó)土資源部太原礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，其中硫酸鹽采用EDTA 滴定法測(cè)定，鐵和鋅含量采用原子熒光光度計(jì)測(cè)定，其他金屬離子采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

（2）礦井水積水環(huán)境中植被和群落調(diào)查。 植被分布頻度采用物種i在樣方網(wǎng)格中出現(xiàn)的頻次占樣方內(nèi)網(wǎng)格數(shù)之和（100）的百分比計(jì)算。 應(yīng)用Morisita 提出的格局指數(shù)（Iδ）進(jìn)行種群空間分布格局類型的判斷，其中Iδ＝1 表明種群為隨機(jī)分布，Iδ＜1 表明種群為均勻分布，Iδ＞1 表明種群為集群分布。 格局指數(shù)［18］計(jì)算公式為

式中：n為樣方數(shù)；N為植被總株數(shù)；xi為第i個(gè)樣方中植被株數(shù)。

（3）礦井水積水環(huán)境中物種多樣性比較及植被重金屬富集情況。 應(yīng)用Jaccard 指數(shù)比較上游、中游和下游物種多樣性特征。 Jaccard 指數(shù)Cj計(jì)算公式為

式中：a為A 群落中的物種數(shù)；b為B 群落中的物種數(shù)；c為兩個(gè)群落中共有的物種數(shù)。

在樣方內(nèi)隨機(jī)采集5 株蘆葦，用于測(cè)定植株莖葉和根系重金屬富集情況。 所測(cè)定重金屬種類為Fe、Mn、Cu、Zn 等，植株樣品帶回實(shí)驗(yàn)室沖洗干凈后，將莖葉和根系分開置于陰涼干燥處陰干，取5 株蘆葦?shù)幕旌蠘悠酚糜谥亟饘俸繙y(cè)定。 植株對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)用TF表示：

式中：S上、S下分別為植株莖葉和根系重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸性礦井水積水環(huán)境污染特征

研究區(qū)上游山底村門樓下，有一處酸性礦井水長(zhǎng)期出流點(diǎn)，順?biāo)鞫碌窖芯繀^(qū)有多處礦井水出流點(diǎn)，豐水期礦井水滲出量較大，枯水期滲出量較小不易發(fā)現(xiàn)。 出流礦井水經(jīng)回填耕地后匯入溫河河道，使溫河受到酸性水污染。 研究區(qū)水體部分水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。研究區(qū)地表水pH 值較小，最小值為2.81，匯入溫河前pH 值升高；Eh值和電導(dǎo)率較高，表現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化性。 研究區(qū)夏秋季積水深，上游污染較下游污染嚴(yán)重，酸性礦井水污染物主要為高濃度、Fe3＋、Fe2＋，隨水流運(yùn)移后以上污染物變化較大，但質(zhì)量濃度仍高于地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

酸性礦井水積水環(huán)境下河流沉積物中重金屬含量見(jiàn)表2。 各采樣點(diǎn)不同種類重金屬含量差別較大，8 月重金屬含量增加，經(jīng)河道、土壤和植被群落的攔截及生物作用后，下游采樣點(diǎn)河流沉積物污染程度較上游呈減輕趨勢(shì)。 結(jié)合表1 可知，污染較嚴(yán)重的采樣點(diǎn)為上游采樣點(diǎn)，該時(shí)期積水量較大，pH 值較小，水體溶解大量重金屬離子，并隨水流將重金屬離子帶到河流下游。

表1 酸性積水部分水質(zhì)指標(biāo)

表2 河流沉積物重金屬含量 mg／kg

將不同采樣時(shí)間各采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)與河道沉積物重金屬含量指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，以揭示其相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表3。 出流礦井水的積水深度與pH 值負(fù)相關(guān)，即酸性礦井水出流量越大，出流礦井水pH 值越??；礦井水pH 值與Eh值、電導(dǎo)率、、Fe3＋和Fe2＋等水質(zhì)指標(biāo)顯著負(fù)相關(guān)，表明研究區(qū)出流礦井水的強(qiáng)腐蝕性與水體溶解有大量硫酸根離子和鐵離子有關(guān)；河道沉積物中Cu、Zn、As、Cr 等重金屬含量與出流礦井水的pH 值負(fù)相關(guān)，與、Fe3＋濃度正相關(guān)，表明水體與其所賦存巖石和土壤發(fā)生了溶解與沉淀、氧化還原、界面反應(yīng)等多種物理和化學(xué)反應(yīng)。

表3 酸性積水環(huán)境中水體水質(zhì)指標(biāo)與河道沉積物重金屬含量相關(guān)系數(shù)

2.2 酸性礦井水積水環(huán)境物種組成特征

經(jīng)春秋兩季樣方調(diào)查并排除人為擾動(dòng)等因素，研究區(qū)共勘查到35 種植被（主要植被見(jiàn)表4），隸屬于豆科、禾本科、菊科等11 個(gè)科，其中禾本科9 種、菊科13種、藜科3 種。 春秋季蘆葦分布相對(duì)頻度高達(dá)50%，秋季黃花蒿、小飛蓬、灰綠藜、蒼耳等一年生植被分布相對(duì)頻度為30%左右。 韓黃英［19］2006 年對(duì)該流域陽(yáng)泉矸石山植被區(qū)系調(diào)查表明，該區(qū)域分布植被77 種，隸屬于23 科62 屬，其中菊科、禾本科、豆科和薔薇科所含種數(shù)最多，偶見(jiàn)馬齒莧科、茄科、莎草科、旋花科等物種。 對(duì)比可知，受酸性礦井水排放以及人類生產(chǎn)生活等影響，該區(qū)域植被種類減少，從出流礦井水上游到下游，植被數(shù)量呈逐漸增加趨勢(shì)。

表4 山底河流域出流礦井水積水環(huán)境主要植被分布特征

基于Jaccard 指數(shù)比較春季和秋季植被多樣性隨酸性礦井水出流的變化情況。 春季上游與中游、上游與下游、中游與下游物種多樣性Jaccard 指數(shù)分別為0.78、0.74、0.84，秋季上游與中游、上游與下游、中游與下游物種多樣性Jaccard 指數(shù)分別為0.82、0.78、0.88。春秋季中游與下游物種相似性較高，且中游與下游物種相似性高于上游與中游的，秋季物種Jaccard 指數(shù)高于春季，表明在酸性礦井水出露源頭，物種多樣性受影響顯著，物種多樣性減少。

2.3 蘆葦種群分布對(duì)酸性礦井水積水環(huán)境的響應(yīng)

以酸性礦井水積水環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)種蘆葦為研究對(duì)象，采用格局指數(shù)（Iδ）進(jìn)行蘆葦種群空間分布類型判斷，研究區(qū)上中下游蘆葦種群分布見(jiàn)圖1。 上游和中游蘆葦植株數(shù)分別為22、32 株，Iδ分別為1.2、3.8，空間分布類型均為集群分布；下游蘆葦植株數(shù)為47 株，Iδ為0.5，種群空間分布類型為均勻分布。 表明蘆葦種群采用聚集方式適應(yīng)酸性礦井水環(huán)境，樣方調(diào)查時(shí)所見(jiàn)獨(dú)立植株來(lái)自相同的橫走根狀莖。

圖1 研究區(qū)蘆葦種群分布

2.4 蘆葦植株重金屬富集和轉(zhuǎn)移特征

由于酸性礦井水出露時(shí)間和徑流距離不同，因此上中下游蘆葦植株富集重金屬含量不同。 重金屬元素在蘆葦根系和莖葉中的含量及其在植株內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)見(jiàn)表5，不同采樣點(diǎn)蘆葦植株可富集Fe、Mn、Cu、Zn，且根系重金屬含量高于莖葉。 不同種類重金屬在蘆葦植株中的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)較為相似，其中Mn 的轉(zhuǎn)移系數(shù)較大；上游蘆葦植株富集和轉(zhuǎn)移重金屬的能力最強(qiáng)；下游隨著酸性礦井水中重金屬含量下降，植株富集重金屬含量呈下降趨勢(shì)。

表5 蘆葦植株重金屬富集量和轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 討 論

（1）研究區(qū)酸性礦井水積水環(huán)境水質(zhì)特點(diǎn)。 山底河流域大氣降水經(jīng)巖溶過(guò)程下滲補(bǔ)給煤礦采空區(qū)，并與富含黃鐵礦的基巖發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，黃鐵礦被氧化生成硫酸鹽，硫酸根濃度提高，pH 值減小，由于溶解有大量金屬離子，因此礦化度提高，形成了酸性老窯水。 在降水補(bǔ)給和地下水滲透綜合作用下，山底河流域山底村有多處老窯水出流點(diǎn)，豐水期滲出量增大，形成了酸性礦井水積水環(huán)境，水質(zhì)較差，呈褐紅色，其中硫酸根離子，以及鐵、錳、銅、鋅、鎘等金屬離子含量很高，高出地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。 酸性礦井水出露形成積水并順流而下的過(guò)程中， 水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)， 這與Balistrieri 等［20］評(píng)估美國(guó)佛蒙特州銅礦酸性礦井水出露后與當(dāng)?shù)匾聋惿缀酉掠魏铀旌线^(guò)程中水質(zhì)變化情況類似，pH 值逐漸升高，重金屬濃度逐漸下降。

研究區(qū)所在山底河流域位于娘子關(guān)泉域北側(cè)中部，娘子關(guān)泉域巖溶水是當(dāng)?shù)刂匾┧矗瑓^(qū)域內(nèi)閉坑中酸性礦井水蓄滿采空區(qū)后，從煤系地層最低處山底村出流至地表，進(jìn)入下游碳酸鹽巖滲漏區(qū)，最終由娘子關(guān)泉水排泄。 當(dāng)?shù)厮嵝缘V井水給干凈受納水體和土壤帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題已成為水污染防治中必須直面且無(wú)法回避的難題。

（2）研究區(qū)酸性礦井水環(huán)境植被群落特征。 在酸性礦井水出露形成的積水環(huán)境中共勘查到35 種植被，隸屬于豆科、禾本科、菊科等11 個(gè)科。 離酸性礦井水出流點(diǎn)近的樣方中，蘆葦分布數(shù)量較多，體型較大，對(duì)脅迫環(huán)境表現(xiàn)出適應(yīng)性。 受酸性礦井水排放以及人類生產(chǎn)生活等影響，該區(qū)域植被種類減少，從出流礦井水上游到下游，植被數(shù)量和物種多樣性呈逐漸增加趨勢(shì)，表明酸性礦井水對(duì)群落影響較大。

（3）蘆葦種群對(duì)酸性礦井水環(huán)境的響應(yīng)。 研究區(qū)上游到下游縱向尺度上，蘆葦種群呈集群或均勻分布，這與其根莖繁殖方式以及蘆葦種群對(duì)酸性礦井水環(huán)境變化的響應(yīng)有關(guān)。 蘆葦種群空間分布格局的差異性正是蘆葦種群對(duì)復(fù)雜生存環(huán)境的響應(yīng)，其分布格局的可塑性客觀反映了植被對(duì)脅迫環(huán)境的適應(yīng)特征。 蘆葦植株可吸附環(huán)境中的重金屬離子，對(duì)鐵、錳、銅和鋅均有富集作用，重金屬富集在根部，少量轉(zhuǎn)移到莖葉，進(jìn)一步表明了蘆葦在脅迫環(huán)境中的適應(yīng)能力和對(duì)污染環(huán)境的修復(fù)潛力。